Mecanismos de asignación de canales en redes IEEE 802 11

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(2) 2. Mecanismos De Asignación De Canales En Redes IEEE 802.11. David Crespo Sen. 2. 2019.

(3) 3. Mecanismos De Asignación De Canales En Redes IEEE 802.11. UNIVERSIDAD DE ALCALÁ Escuela Politécnica Superior Grado en Ingeniería Telemática Trabajo Fin de Grado MECANISMOS DE ASIGNACIÓN DE CANALES EN REDES IEEE 802.11 Autor: David Crespo Sen Tutor/es: José Manuel Giménez Guzmán. TRIBUNAL: Presidente: Juan Antonio Rodrigo Yanes Vocal 1º: Iván Marsá Maestre Vocal 2º: José Manuel Giménez Guzmán. FECHA: 30 de Julio de 2019. David Crespo Sen. 3. 2019.


(5) 5. Mecanismos De Asignación De Canales En Redes IEEE 802.11. “ La clave del éxito es la perseverancia”. David Crespo Sen. 5. 2019.


(7) 7. Mecanismos De Asignación De Canales En Redes IEEE 802.11. Agradecimientos En primer lugar, quiero agradecer de corazón a toda mi familia, en especial a mis padres Jesús y Celia y a mi hermano Jorge, por estar a mi lado en todo momento, tanto en los momentos buenos como en los no tan buenos, ya que sin su apoyo todo habría sido más complicado. En segundo lugar, quiero dar las gracias también a mis amigos y amigas, y todos los compañeros que he conocido durante la carrera, porque han sabido apoyarme y ayudarme conseguir dar todo de mi. Por último, pero no menos importante, agradecer a todos y cada uno de los profesores que me han impartido clase, ya que han aportado cada uno al menos un granito de arena para construir la base del aprendizaje obtenido, en especial a los profesores de telemática, que es con los que tuve un trato más cercano y en particular José Manuel.. David Crespo Sen. 7. 2019.


(9) 9. Mecanismos De Asignación De Canales En Redes IEEE 802.11. Índice de contenidos ÍNDICE DE TABLAS .............................................................................................................................. 10 ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................................................ 11 RESUMEN ................................................................................................................................................ 13 PALABRAS CLAVE ............................................................................................................................... 13 ABSTRACT .............................................................................................................................................. 14 KEYWORDS ............................................................................................................................................ 14 INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................... 15 LAS REDES INALÁMBRICAS IEEE 802.11 ....................................................................................... 18 WI-FI...................................................................................................................................................... 20 ASIGNACIÓN DE CANALES ...................................................................................................................... 22 ALGORITMOS DE ASIGNACIÓN DE CANALES EMPLEADOS .................................................. 30 RANDOM ................................................................................................................................................ 30 LCCS (LEAST CONGESTED CHANNEL SCAN) ............................................................................................ 30 SA (SIMULATED ANNEALING, TEMPLE SIMULADO)................................................................................... 31 KCKC .................................................................................................................................................... 34 Propuesta de esquema de selección de canal distribuido ................................................................. 34 Implementación del esquema de selección de canal distribuido....................................................... 38 AIIM ...................................................................................................................................................... 39 Esquema de asignación de canales controlado por la red ............................................................... 39 Implementación del esquema de asignación de canales controlado por la red ................................ 41 HZNA .................................................................................................................................................... 44 Algoritmo de combinación de vértices (VMA) propuesto ................................................................ 45 Implementación del algoritmo de combinación de vértices (VMA) ................................................. 46 MEJORA DEL ALGORITMO DE ASIGNACIÓN DE CANALES AIIM ........................................ 51 EXPERIMENTOS Y RESULTADOS .................................................................................................... 53 HERRAMIENTAS UTILIZADAS .................................................................................................................. 53 Python ............................................................................................................................................... 54 NumPy (Numeric Python) ................................................................................................................. 54 NetworkX .......................................................................................................................................... 54 Anaconda Navigator ......................................................................................................................... 55 Spyder (Scientific Python Development Environment) ..................................................................... 56 MODELADO MEDIANTE GRAFOS MULTICAPA .......................................................................................... 57 ESCENARIOS EMPLEADOS ....................................................................................................................... 61 RESULTADOS .......................................................................................................................................... 67 Definición de los tipos de resultados obtenidos ................................................................................ 67 Resultados numéricos obtenidos por técnica para todos los grafos ................................................. 68 Conclusiones obtenidas .................................................................................................................... 71 Resultados numéricos obtenidos en un grafo por todas las técnicas ................................................ 72 CONCLUSIONES FINALES .................................................................................................................. 80 PLIEGO DE CONDICIONES ................................................................................................................ 82 CONDICIONES DE MATERIAL Y EQUIPOS ................................................................................................. 82 CONDICIONES DE EJECUCIÓN .................................................................................................................. 83 PRESUPUESTO ....................................................................................................................................... 86 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.................................................................................................... 87. David Crespo Sen. 9. 2019.

(10) 10. Mecanismos De Asignación De Canales En Redes IEEE 802.11. Índice de tablas TABLA 1: ESTÁNDARES WI-FI ..................................................................................................................... 21 TABLA 2: CANALES EN ESPECTRO DE 2,4 GHZ ............................................................................................ 22 TABLA 3: INTERFERENCIA COCANAL EN FUNCIÓN DE LA SEPARACIÓN DE CANALES.................................... 59 TABLA 4: RESULTADOS RANDOM 11 CANALES ........................................................................................... 68 TABLA 5: RESULTADOS RANDOM 3 CANALES ............................................................................................. 68 TABLA 6: RESULTADOS SA 11 CANALES ..................................................................................................... 68 TABLA 7: RESULTADOS SA 3 CANALES ....................................................................................................... 68 TABLA 8: RESULTADOS KCKC 11 CANALES ............................................................................................... 69 TABLA 9: RESULTADOS KCKC 3 CANALES ................................................................................................. 69 TABLA 10: RESULTADOS HZNA 11 CANALES ............................................................................................. 69 TABLA 11: RESULTADOS HZNA 3 CANALES ............................................................................................... 69 TABLA 12: RESULTADOS AIIM 11 CANALES ............................................................................................... 69 TABLA 13: RESULTADOS AIIM 3 CANALES ................................................................................................. 69 TABLA 14: RESULTADOS MEJORA AIIM 11 CANALES ................................................................................. 70 TABLA 15: RESULTADOS MEJORA AIIM 3 CANALES ................................................................................... 70 TABLA 16: RESULTADOS 11 CANALES GRAFO EPS-0.25-1 ......................................................................... 72 TABLA 17: RESULTADOS 3 CANALES GRAFO EPS-0.25-1 ........................................................................... 72 TABLA 18: RESULTADOS 11 CANALES GRAFO EPS-0.5-2 ........................................................................... 73 TABLA 19: RESULTADOS 3 CANALES GRAFO EPS-0.25-2 ........................................................................... 73 TABLA 20: RESULTADOS 11 CANALES GRAFO EPS-0.25-3 ......................................................................... 73 TABLA 21: RESULTADOS 3 CANALES GRAFO EPS-0.25-3 ........................................................................... 73 TABLA 22: RESULTADOS 11 CANALES GRAFO EPS-0.5-1........................................................................... 74 TABLA 23: RESULTADOS 3 CANALES GRAFO EPS-0.5-1 ............................................................................. 74 TABLA 24: RESULTADOS 11 CANALES GRAFO EPS-0.5-2........................................................................... 74 TABLA 25: RESULTADOS 3 CANALES GRAFO EPS-0.5-2 ............................................................................. 74 TABLA 26: RESULTADOS 11 CANALES GRAFO EPS-0.5-3........................................................................... 75 TABLA 27: RESULTADOS 3 CANALES GRAFO EPS-0.5-3 ............................................................................. 75 TABLA 28: RESULTADOS 11 CANALES GRAFO EPS-0.75-1......................................................................... 75 TABLA 29: RESULTADOS 3 CANALES GRAFO EPS-0.75-1 ........................................................................... 75 TABLA 30: RESULTADOS 11 CANALES GRAFO EPS-0.75-2......................................................................... 76 TABLA 31: RESULTADOS 3 CANALES GRAFO EPS-0.75-2 ........................................................................... 76 TABLA 32: RESULTADOS 11 CANALES GRAFO EPS-0.75-3......................................................................... 76 TABLA 33: RESULTADOS 3 CANALES GRAFO EPS-0.75-3 ........................................................................... 76 TABLA 34: RESULTADOS 11 CANALES GRAFO EPS-1-1 ............................................................................. 77 TABLA 35: RESULTADOS 3 CANALES GRAFO EPS-1-1 ................................................................................ 77 TABLA 36: RESULTADOS 11 CANALES GRAFO EPS-1-2 ............................................................................. 77 TABLA 37: RESULTADOS 3 CANALES GRAFO EPS-1-2 ................................................................................ 77 TABLA 38: RESULTADOS 11 CANALES GRAFO EPS-1-3 ............................................................................. 78 TABLA 39: RESULTADOS 3 CANALES GRAFO EPS-1-3 ................................................................................ 78 TABLA 40: TAREAS REALIZADAS Y HORAS EMPLEADAS .............................................................................. 85 TABLA 41: PRESUPUESTO MATERIAL HARDWARE ....................................................................................... 86 TABLA 42: PRESUPUESTO MATERIAL SOFTWARE......................................................................................... 86 TABLA 43: PRESUPUESTO MATERIAL DE OFICINA ........................................................................................ 86 TABLA 44: PRESUPUESTO MANO DE OBRA................................................................................................... 86 TABLA 45: PRESUPUESTO TOTAL SIN IVA ................................................................................................... 86 TABLA 46: PRESUPUESTO TOTAL CON IVA ................................................................................................. 86. David Crespo Sen. 10. 2019.

(11) 11. Mecanismos De Asignación De Canales En Redes IEEE 802.11. Índice de figuras FIGURA 1: ESPECTRO DE FRECUENCIAS BANDA 2,4 GHZ............................................................................. 15 FIGURA 2: INFRAESTRUCTURA DE RED INALÁMBRICA ................................................................................. 18 FIGURA 3: ESTÁNDARES IEEE WXAN ........................................................................................................ 19 FIGURA 4: LOGOTIPO WI-FI ........................................................................................................................ 20 FIGURA 5: ESPECTRO DE FRECUENCIAS BANDA 2,4 GHZ ............................................................................ 22 FIGURA 6: CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS EN REDES CENTRALIZADAS .......................................................... 26 FIGURA 7: CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS EN REDES NO COORDINADAS ........................................................ 28 FIGURA 8: ESQUEMA GENERAL SA.............................................................................................................. 31 FIGURA 9: ESQUEMA MECANISMO DE DECISIÓN SA .................................................................................... 32 FIGURA 10: ESQUEMA VOTACIÓN DEL TEMPLADO POR EL AGENTE ............................................................. 33 FIGURA 11: REPRESENTACIÓN DE TRAMAS BALIZA ..................................................................................... 35 FIGURA 12: ESQUEMA DE INTERCAMBIO DE MENSAJES ............................................................................... 35 FIGURA 13: ESCENARIO EJEMPLO PARA TÉCNICA DE KCKC ....................................................................... 37 FIGURA 14: TRAMA 1 ASIGNACIÓN KCKC .................................................................................................. 37 FIGURA 15: TRAMA 2 ASIGNACIÓN KCKC .................................................................................................. 37 FIGURA 16: ESQUEMA DE IMPLEMENTACIÓN KCKC ................................................................................... 38 FIGURA 17: ESQUEMA GENERAL AIIM........................................................................................................ 40 FIGURA 18: ESQUEMA PRIMERA PARTE AIIM ............................................................................................. 41 FIGURA 19: ESQUEMA DE IMPLEMENTACIÓN PRIMERA PARTE AIIM ........................................................... 41 FIGURA 20: ESQUEMA SEGUNDA PARTE AIIM ............................................................................................ 42 FIGURA 21: ESQUEMA DE IMPLEMENTACIÓN SEGUNDA PARTE AIIM .......................................................... 42 FIGURA 22: ESQUEMA COMPLETO DE IMPLEMENTACIÓN AIIM ................................................................... 43 FIGURA 23: ESQUEMA DE UN GRAFO EJEMPLO ............................................................................................ 44 FIGURA 24: ESQUEMA GENERAL HZNA...................................................................................................... 45 FIGURA 25: ESQUEMA DE IMPLEMENTACIÓN HZNA 3 CANALES................................................................. 46 FIGURA 26: ESQUEMA DE IMPLEMENTACIÓN HZNA 11 CANALES ............................................................... 47 FIGURA 27: GRAFO EJEMPLO HZNA INICIAL .............................................................................................. 47 FIGURA 28: GRAFO EJEMPLO HZNA PRIMER PASO ..................................................................................... 48 FIGURA 29: GRAFO EJEMPLO HZNA SEGUNDO PASO ................................................................................. 48 FIGURA 30: GRAFO EJEMPLO HZNA CUARTO PASO ................................................................................... 48 FIGURA 31: GRAFO EJEMPLO HZNA CUARTO PASO .................................................................................... 49 FIGURA 32: GRAFO EJEMPLO HZNA QUINTO PASO ..................................................................................... 49 FIGURA 33: GRAFO EJEMPLO HZNA SEXTO PASO ....................................................................................... 49 FIGURA 34: GRAFO EJEMPLO HZNA SÉPTIMO PASO .................................................................................... 49 FIGURA 35: GRAFO EJEMPLO HZNA OCTAVO PASO .................................................................................... 50 FIGURA 36: GRAFO EJEMPLO HZNA NOVENO PASO .................................................................................... 50 FIGURA 37: GRAFO EJEMPLO HZNA DÉCIMO PASO ..................................................................................... 50 FIGURA 38: GRAFO EJEMPLO APS Y CLIENTES AIIM .................................................................................. 51 FIGURA 39: GRAFO EJEMPLO APS Y CLIENTES AIIM CON INTERFERENCIAS ENTRE APS ............................. 51 FIGURA 40: GRAFO EJEMPLO APS Y CLIENTES AIIM CON INTERFERENCIAS CLUSTER ................................. 52 FIGURA 41: LOGOS HERRAMIENTAS UTILIZADAS ........................................................................................ 53 FIGURA 42: GRAFO EJEMPLO UBICACIÓN DE APS ........................................................................................ 57 FIGURA 43: EJEMPLO DE GRAFO COLOREADO ............................................................................................. 57 FIGURA 44: EJEMPLO DE GRAFO DE CONECTIVIDAD .................................................................................... 58 FIGURA 45: GRAFO DE INTERFERENCIAS ..................................................................................................... 58 FIGURA 46: REPRESENTACIÓN DE LA UTILIDAD DEL DISPOSITIVO EN FUNCIÓN DEL SIR (DB) .................... 60 FIGURA 47: ESQUEMA DE LA EPS CON UBICACIÓN DE APS Y REPRESENTACIÓN DE LA SEÑAL .................... 61 FIGURA 48: GRAFO G ESCENARIO 1 ............................................................................................................ 62 FIGURA 49: GRAFO I ESCENARIO 1 .............................................................................................................. 62 FIGURA 50: GRAFO G ESCENARIO 2 ............................................................................................................ 62 FIGURA 51: GRAFO I ESCENARIO 2 .............................................................................................................. 62 FIGURA 52: GRAFO G ESCENARIO 3 ............................................................................................................ 62 FIGURA 53: GRAFO I ESCENARIO 3 .............................................................................................................. 62 FIGURA 54: GRAFO G ESCENARIO 4 ............................................................................................................ 63 FIGURA 55: GRAFO I ESCENARIO 4 .............................................................................................................. 63 FIGURA 56: GRAFO G ESCENARIO 5 ............................................................................................................ 63 FIGURA 57: GRAFO I ESCENARIO 5 .............................................................................................................. 63. David Crespo Sen. 11. 2019.

(12) 12. Mecanismos De Asignación De Canales En Redes IEEE 802.11. FIGURA 58: GRAFO G ESCENARIO 6 ............................................................................................................ 63 FIGURA 59: GRAFO I ESCENARIO 6 .............................................................................................................. 63 FIGURA 60: GRAFO G ESCENARIO 7 ............................................................................................................ 64 FIGURA 61: GRAFO I ESCENARIO 7 .............................................................................................................. 64 FIGURA 62: GRAFO G ESCENARIO 8 ............................................................................................................ 64 FIGURA 63: GRAFO I ESCENARIO 8 .............................................................................................................. 64 FIGURA 64: GRAFO G ESCENARIO 9 ............................................................................................................ 64 FIGURA 65: GRAFO I ESCENARIO 9 .............................................................................................................. 64 FIGURA 66: GRAFO G ESCENARIO 10 .......................................................................................................... 65 FIGURA 67: GRAFO I ESCENARIO 10 ............................................................................................................ 65 FIGURA 68: GRAFO G ESCENARIO 11 .......................................................................................................... 65 FIGURA 69: GRAFO I ESCENARIO 11 ............................................................................................................ 65 FIGURA 70: GRAFO G ESCENARIO 12 .......................................................................................................... 65 FIGURA 71: GRAFO I ESCENARIO 12 ............................................................................................................ 65 FIGURA 72: REPRESENTACIÓN DE LA UTILIDAD DEL DISPOSITIVO EN FUNCIÓN DEL SIR (DB) .................... 66 FIGURA 73: RESULTADOS 11 CANALES GRAFO EPS-0.25-1 ........................................................................ 72 FIGURA 74: RESULTADOS 3 CANALES GRAFO EPS-0.25-1 .......................................................................... 72 FIGURA 75: RESULTADOS 11 CANALES GRAFO EPS-0.25-2 ........................................................................ 73 FIGURA 76: RESULTADOS 3 CANALES GRAFO EPS-0.25-2 .......................................................................... 73 FIGURA 77: RESULTADOS 11 CANALES GRAFO EPS-0.25-3 ........................................................................ 73 FIGURA 78: RESULTADOS 3 CANALES GRAFO EPS-0.25-3 .......................................................................... 73 FIGURA 79: RESULTADOS 11 CANALES GRAFO EPS-0.5-1 .......................................................................... 74 FIGURA 80: RESULTADOS 3 CANALES GRAFO EPS-0.5-1 ............................................................................ 74 FIGURA 81: RESULTADOS 11 CANALES GRAFO EPS-0.5-2 .......................................................................... 74 FIGURA 82: RESULTADOS 3 CANALES GRAFO EPS-0.5-2 ............................................................................ 74 FIGURA 83: RESULTADOS 11 CANALES GRAFO EPS-0.5-3 .......................................................................... 75 FIGURA 84: RESULTADOS 3 CANALES GRAFO EPS-0.5-3 ............................................................................ 75 FIGURA 85: RESULTADOS 11 CANALES GRAFO EPS-0.75-1 ........................................................................ 75 FIGURA 86: RESULTADOS 3 CANALES GRAFO EPS-0.75-1 .......................................................................... 75 FIGURA 87: RESULTADOS 11 CANALES GRAFO EPS-0.75-2 ........................................................................ 76 FIGURA 88: RESULTADOS 3 CANALES GRAFO EPS-0.75-2 .......................................................................... 76 FIGURA 89: RESULTADOS 11 CANALES GRAFO EPS-0.75-3 ........................................................................ 76 FIGURA 90: RESULTADOS 3 CANALES GRAFO EPS-0.75-3 .......................................................................... 76 FIGURA 91: RESULTADOS 11 CANALES GRAFO EPS-1-1 ............................................................................. 77 FIGURA 92: RESULTADOS 3 CANALES GRAFO EPS-1-1 ............................................................................... 77 FIGURA 93: RESULTADOS 11 CANALES GRAFO EPS-1-2 ............................................................................. 77 FIGURA 94: RESULTADOS 3 CANALES GRAFO EPS-1-2 ............................................................................... 77 FIGURA 95: RESULTADOS 11 CANALES GRAFO EPS-1-3 ............................................................................. 78 FIGURA 96: RESULTADOS 3 CANALES GRAFO EPS-1-3 ............................................................................... 78 FIGURA 97: DIAGRAMA DE GANTT DEL PROYECTO ..................................................................................... 84. David Crespo Sen. 12. 2019.

(13) 13. Mecanismos De Asignación De Canales En Redes IEEE 802.11. Resumen El principal objetivo del presente TFG es implementar, evaluar y comprobar algunas de las técnicas más recientes propuestas en la literatura científica para la asignación de canales en redes Wi-Fi. Además, en este trabajo también se propone la mejora de alguna de las técnicas. Estas técnicas tratan de adaptar el problema de la asignación de canales a otro de coloreado del grafo, por lo que se trabajará con grafos multicapa y el paquete NetworkX de Python, que va a ser el lenguaje de programación empleado para la resolución.. Palabras clave Redes Wi-Fi, asignación de canales, coloreado de grafos.. David Crespo Sen. 13. 2019.

(14) 14. Mecanismos De Asignación De Canales En Redes IEEE 802.11. Abstract The main objective of this TFG is to apply, evaluate and check some of the most recent techniques proposed in the scientific literature for the channel allocation in Wi-Fi networks. In addition, in this work also proposes the improvement some of the techniques. These techniques try to adapt the problem of channel allocation to another one of the graph colouring, so we will work with multilayer graphs and the Python package NetworkX, which will be the code language to use in the implementation.. Keywords Wi-Fi networks, cannel assignment, graph colouring.. David Crespo Sen. 14. 2019.

(15) 15. Mecanismos De Asignación De Canales En Redes IEEE 802.11. Introducción Las redes inalámbricas locales (WLAN, Wireless Local Area Networks) fueron propuestas entre otros motivos, para dotar de mayor flexibilidad y movilidad a los usuarios finales. Dentro de estas redes destacan las que operan según la familia de estándares descrita en IEEE 802.11, también llamadas redes Wi-Fi. Estas redes Wi-Fi operan habitualmente en la banda de frecuencias libre de 2,4 GHz. Esta banda de frecuencias está compuesta por 14 canales, de los cuales el canal 14 es operable únicamente en Japón y el resto de los países operan con 11 ó 13 canales. Sin embargo, al tratarse de una banda libre han aparecido multitud de tecnologías que operan también en esta banda, como son Bluetooth, o Zigbee. Al convivir tantas tecnologías en la misma banda de frecuencias, se crea un conflicto de ancho de banda. La tecnología Wi-Fi también permite operar en la banda de frecuencias de 5 GHz, esta banda está compuesta por 25 canales y es relativamente nueva. Las ventajas respecto a la de 2,4 GHz son que hay menos interferencias y tiene una mayor velocidad, pero por el contrario, tiene un menor alcance y un obstáculo intermedio genera un gran impacto perdiendo mucha señal. Los routers modernos emiten en ambas bandas de frecuencia, por lo que podemos elegir a cuál conectarnos. El uso óptimo de cada una de las bandas de frecuencia es por tanto según las necesidades, esto es, en función de si lo importante es la velocidad o la cobertura, en el primer caso elegiríamos la banda de 5 GHz mientras que en el segundo la de 2,4 GHz. Los routers más actuales incorporan además la funcionalidad de Wi-Fi inteligente, que se encarga de elegir automáticamente en qué banda conectar los dispositivos en todo momento pudiendo intercambiar la conexión en cualquier instante. Por tanto, una de las posibles soluciones que se han tomado es que el Wi-Fi opere tanto en la banda de 2,4 GHz como en la de 5 GHz por las ventajas comentadas anteriormente. Otra solución que se ha propuesto para obtener un mayor rendimiento de la red en la banda de 2,4 GHz es una asignación óptima de canales. Este problema de asignación de canales lo vamos a adaptar a un problema de coloreado del grafo. Esta segunda opción es interesante porque libramos los problemas de la banda de 5 GHz y a su vez, minimizamos las interferencias, además de que permitimos que algunos dispositivos antiguos puedan conectarse a una red Wi-Fi ya que por el hecho de ser antiguos no detectan la banda de 5 GHz. Por lo que en este trabajo vamos a tratar de conseguir el mayor rendimiento a las redes Wi-Fi que operan en la banda de 2,4 GHz haciendo una asignación de canales óptima. Lo primero que vamos a ver es la forma del espectro de esta banda de frecuencias con las frecuencias correspondientes a cada canal. La forma que tiene es la siguiente:. Figura 1: Espectro de frecuencias banda 2,4 GHz. En este esquema podemos ver las frecuencias centrales de cada canal y que todos los canales tienen un ancho de banda de 22 MHz. Otra cosa que vemos son los tres canales que no se superponen, estos vienen resaltaros en negrita y son los canales 1, 6 y 11 que están separados por 3 MHz. Esto es algo interesante para tratar el problema de asignación de canales, ya que si estos canales no están solapados evitamos la interferencia cocanal y, por tanto, conseguimos un mayor rendimiento de la red.. David Crespo Sen. 15. 2019.

(16) 16. Mecanismos De Asignación De Canales En Redes IEEE 802.11. El recurso que utilizaremos para la mejora del rendimiento de estas redes WLAN va a ser la asignación óptima de los canales a los puntos de acceso (AP, Access Points), es decir, intentar mediante esta asignación que se reduzca la interferencia cocanal y la interferencia causada por otros APs con el mismo canal asociado, ya que una asignación inalámbrica no puede lograr estas cosas. Para tratar mejor este problema vamos a crear unos grafos multicapa (grafos de interferencia y grafos de conexión) que representan la red Wi-Fi que vamos a optimizar y trataremos este problema de asignación de canales como un problema de coloreado del grafo. Estos grafos se componen de vértices (APs y clientes) y aristas (que representan la relación entre los elementos de la red). El problema de coloreado del grafo trata de representar cada canal con un color y asociar estos colores a los vértices del grafo, para ello tenemos en cuenta entre otras cosas los vértices que son vecinos o no lo son (están unidos por una arista o no hay arista alguna que los mantenga conectados). Esto es para que, en la medida de lo posible, no tener el mismo canal asociado ya que esto crearía interferencias entre ellos y, por tanto, empeoraría el rendimiento de la red. Principalmente trabajaremos con 3 colores o con 11 colores, que representan a los canales no solapados y a los canales totales respectivamente (aunque como ya vimos en algunos sitios se emplean 13 ó 14 canales, por lo que tendríamos el mismo número de colores). La primera parte de este trabajo será una lectura a fondo del artículo de Chieochan et al. [12], ya que engloba multitud de técnicas de asignación de canales y proporciona información general sobre este tema. La segunda parte va a consistir en la lectura de algunos artículos concretos en los que únicamente se propone un algoritmo de manera más detallada, para así poder implementar algunas de las técnicas. En este caso han sido la propuesta por Kwon et al. [11], la de Abeysekera et al. [10] y por último la propuesta por Handrizal et al. [9]. A estas técnicas se las denominará, de acuerdo al nombre de sus autores, KCKC, AIIM y HZNA, respectivamente. Pero la implementación de estas técnicas no tendría sentido sin realizar las pruebas de rendimiento con algún algoritmo que establezca límites de rendimiento tanto superiores como inferiores, esto lo hacemos para poder obtener una comparación real entre las distintas técnicas, esta comparación y validación de los resultados sería la tercera y última parte del trabajo. Una breve descripción de los algoritmos que se han implementado es la siguiente: •. KCKC [11]: Esta técnica consiste en conseguir información sobre los APs y clientes interferentes por medio de las tramas de control, gracias a esto consigue conocer la congestión de cada canal, la cual será la base para elegir el canal menos congestionado, es decir, el AP escoge el canal con menos interferencias.. •. AIIM [10]: Esta técnica consiste en realizar una asignación de canales inicial de forma aleatoria e ir haciendo distintas asignaciones al AP de menor utilidad hasta conseguir maximizar la utilidad del grafo. Esto se repite un número determinado de veces o hasta que la utilidad del grafo sea máxima, esto es, la utilidad igual a uno.. •. HZNA [9]: Esta técnica consiste en intentar asignar canales distintos a los APs vecinos para así evitar gran parte de las interferencias. Lo ideal sería que en un mismo canal no coincida ningún AP vecino de otro. Este algoritmo es ideal para emplear el menor número de canales posibles teniendo todos los canales disponibles.. David Crespo Sen. 16. 2019.

(17) 17. Mecanismos De Asignación De Canales En Redes IEEE 802.11. Para el análisis de las diferentes técnicas se ha empleado el mismo escenario, el de la Escuela Politécnica Superior de la Universidad de Alcalá de Henares y las mismas condiciones de ocupación para poder realizar así una comparación justa. Por cada ocupación de la escuela vamos a emplear tres escenarios distintos, en los que los grafos contienen el mismo número de APs y clientes, pero estos clientes están distribuidos de diferente forma en cada escenario. Los factores que se han empleado en la comparación son los resultados obtenidos con la función de utilidad y su intervalo de confianza. Esta funcione tiene en cuenta un modelo concreto de propagación y representan la utilidad obtenida gracias a esta función se consiguen mediante el cálculo de la SIR (Relación Señal a Interferencia), que varía si se calcula desde el AP o desde el cliente, además define unos valores máximo y mínimo del SIR a partir de los cuales la utilidad es máxima y mínima respectivamente. La utilidad del grafo es la suma de las utilidades de los APs mientras que la utilidad del cluster es la suma de las utilidades de todos sus elementos, es decir, clientes y APs. Para obtener las conclusiones finales sobre si los algoritmos son válidos o no y cuáles son mejores que otros se han comparado con dos algoritmos, estos son, random y SA. Una breve descripción de estos algoritmos empleados para la comparación es la siguiente: •. Random: La técnica random es la primera que vamos a implementar, ya que es la que sirve como comparación y referencia y la más sencilla de realizar. Esta técnica consiste en la asignar a cada AP un canal al azar.. •. SA (Simulated Annealing): La técnica SA se basa en el templado de una forja, consiste en que se proponen asignaciones de canales propuesta por el mediador que tienen que ser aceptado mutuamente por los agentes siempre que sea mejor que la actual, aunque va a depender también de una probabilidad que a su vez depende de la pérdida de utilidad y del parámetro conocido como temperatura de templado.. Los resultados obtenidos con el algoritmo Random los vamos a tomar como los límites inferiores de los resultados que se puedan conseguir en una asignación de canales, por lo que si los valores obtenidos con las técnicas implementadas son cercanos a estos, no será una buena asignación de canales, mientras que los resultados obtenidos con el algoritmo SA los vamos a tomar como los límites superiores de los resultados que se puedan conseguir en una asignación de canales, por lo que si los valores obtenidos con los algoritmos implementados son cercanas a estos valores, será una buena asignación de canales. Con estas condiciones que se han expuesto se obtendrán las conclusiones finales del trabajo basado en la asignación de canales óptima en redes Wi-Fi.. David Crespo Sen. 17. 2019.

(18) 18. Mecanismos De Asignación De Canales En Redes IEEE 802.11. Las redes inalámbricas IEEE 802.11 Las redes Wi-Fi constituyen uno de los pilares básicos por los que los clientes se conectan a Internet. Estas redes inalámbricas permiten la conexión de varios dispositivos como teléfonos móviles, ordenadores portátiles, tablets, smart watch, ... de una forma heterogénea, esto es, en cualquier momento desde cualquier lugar, para ello, tenemos que tener en cuenta que los terminales irán cambiando su punto de acceso a la red y, al no haber cables, el medio de propagación de las redes inalámbricas es el espectro radioeléctrico. Los elementos básicos que componen una red inalámbrica son: •. Hosts inalámbricos: Ejecutan aplicaciones y pueden tener o no movilidad.. •. Estaciones base: También llamadas puntos de acceso (AP) que son los encargados de reenviar paquetes entre la red cableada y la inalámbrica dentro de su área de cobertura y normalmente están conectados a la red cableada.. •. Enlace inalámbrico: Posee un protocolo de acceso múltiple al medio y conecta los hosts con su punto de acceso.. Un ejemplo de esquema de una red inalámbrica podría ser el siguiente:. Infraestructura Infraestructura de red de red. Punto de acceso inalámbrico. Host inalámbrico. Host inalámbrico en movimiento. Área de cobertura. Figura 2: Infraestructura de red inalámbrica. Tenemos varias tecnologías inalámbricas en función de su área de cobertura (WxAN) como: •. WRAN (Wireless Regional Area Network): Las redes inalámbricas de área regional se utilizan para dar servicios de banda ancha a zonas con dificultad para ofrecer este servicio.. •. WWAN (Wireless Wide Area Network): Las redes inalámbricas de área extensa son las que albergan mayor área de cobertura dentro de las redes inalámbricas. Este tipo de redes son las que dan soporte a la telefonía utilizando tecnologías como UMTS, GPRS, EDGE, 3G, ... para transferencia de datos.. David Crespo Sen. 18. 2019.

(19) 19. Mecanismos De Asignación De Canales En Redes IEEE 802.11 •. WMAN (Wireless Metropolitan Area Network): Las redes inalámbricas de área metropolitano tienen un gran alcance y son muy útiles para las compañías de telecomunicaciones. Un ejemplo de este tipo de redes inalámbricas es WiMAX, que cumple con los estándares IEEE 802.16.. •. WLAN (Wireless Local Area Network): Las redes inalámbricas de área local son sistemas de comunicaciones inalámbricas para minimizar los sistemas cableados. Utiliza puntos de acceso (AP) para conectar los dispositivos inalámbricamente. Un ejemplo de redes inalámbricas de este tipo es Wi-Fi, basado en el estándar IEEE 802.11.. •. WPAN (Wireless Personal Area Network): Las redes inalámbricas de área personal son redes que nos permiten conectar dispositivos personales con sus periféricos permitiendo una comunicación directa a corta distancia (ya que son redes de corto alcance) entre los dispositivos. Un ejemplo de redes inalámbricas de este tipo es el Bluetooth, que cumple con el estándar IEEE 802.15.. Un gráfico del posicionamiento de los Estándares IEEE para la tecnología inalámbrica es el siguiente:. Figura 3: Estándares IEEE WxAN. Otra clasificación de las redes inalámbricas puede ser en función de si tienen o no una infraestructura: •. Redes de infraestructura: Poseen una infraestructura donde los APs interconectan toda la red inalámbrica, los dispositivos pueden realizar cambios de AP. Dentro este tipo de redes se pueden volver a clasificar en dos clases: - Solo un salto inalámbrico: Los hosts se conectan a una estación base que habitualmente está conectada a Internet. - Múltiples saltos inalámbricos: Los hosts necesitan varios saltos para alcanzar la estación base.. •. Redes ad hoc: No poseen una infraestructura, los hosts transmiten a paquetes a otros hosts dentro de su área de cobertura y se organizan entre ellos para formar una red de forma que se encaminan paquetes entre nodos. Dentro de este tipo de redes se pueden volver a clasificar en dos clases: -. Solo un salto inalámbrico: No hay estación base, como el caso de Bluetooth. Múltiples saltos inalámbricos: No hay estación base y los nodos pueden tener que retransmitir a otros nodos antes de llegar al destino.. David Crespo Sen. 19. 2019.

(20) 20. Mecanismos De Asignación De Canales En Redes IEEE 802.11. Wi-Fi Este trabajo estará centrado en las redes Wi-Fi, pero... ¿Qué es el Wi-Fi? Wi-Fi es la abreviatura de Wireless-Fidelity (fidelidad inalámbrica), que es el nombre de la certificación otorgado por la Wi-Fi Alliance, anteriormente WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance), que es un grupo que garantiza la compatibilidad entre dispositivos que utilizan el estándar 802.11. El mal uso del término Wi-Fi hace que se confunda el nombre del estándar con la certificación, ya que, en realidad, Wi-Fi es la forma comercial de llamar a las redes inalámbricas de área local (WLAN) que cumplen con el estándar IEEE 802.11. Esta certificación es la que permite a los dispositivos usar el siguiente logotipo:. Figura 4: Logotipo Wi-Fi. Actualmente, en el mundo de las telecomunicaciones, se han popularizado las redes inalámbricas. Aunque la tecnología ha evolucionado, la amplia demanda del espectro radioeléctrico unida a su escasez requiere hacer un uso eficiente del mismo. Inicialmente, la ordenación del espectro radioeléctrico no tenía en cuenta su escasez, porque únicamente fue pensada para la necesidad de coordinar internacionalmente la radiotelegrafía, pero al aparecer las nuevas tecnologías que se instauran en el mismo, cada vez se va notando más su escasez. La carencia del espectro radioeléctrico es debida a varios factores que dificultan que se ofrezcan unos servicios telemáticos con ciertas garantías. Algunos factores que podemos destacar son: •. Cada vez existen más tecnologías que utilizan dicho espectro radioeléctrico, como pueden ser Wi-Fi, Bluetooth, infrarrojos, NFC, ..., todas estas tecnologías deben convivir en un mismo rango de frecuencias sin crear problemas unas con otras.. •. Cada vez son más las personas que utilizan dispositivos con estas tecnologías, esto es, la mayoría de las personas tienen teléfono móvil, pero actualmente también es muy frecuente el uso de ordenadores portátiles, tablets, televisiones, manos libres, altavoces o auriculares bluetooth, ..., por lo que se necesita un mayor número de recursos.. •. En caso de Internet, por ejemplo, los clientes cada vez demandan un mayor ancho de banda para una conexión más rápida y fluida.. •. Los mecanismos de acceso a Internet inalámbrico están disponibles cada vez en un mayor sitio de lugares públicos como cafeterías, aeropuertos, etc.... Este último factor nos hace poner un mayor número de APs para poder mejorar la señal de la red Wi-Fi en la que conectarnos, pero a su vez, el aumento de la densidad de APs WLAN resalta los efectos negativos o las deficiencias de los estándares IEEE 802.11 originales. Para solventar dicho problema de escasez, es necesario hacer un uso eficiente del espectro radioeléctrico. Algunas de las soluciones que se proponen son el uso de nuevas modulaciones más robustas para la transmisión, un modelo basado en mercado en el que se determinen las condiciones de utilización de los recursos, MIMO (Multiple Imput Multiple Output), que aumenta la eficiencia espectral utilizando el dominio espacial) ... Sin embargo, en este trabajo lo que haremos será tratar de coordinar los elementos que forman las redes por medio de la implementación de algunas de las técnicas de asignación de canales, mejorando así ́ el rendimiento de las redes inalámbricas.. David Crespo Sen. 20. 2019.

(21) 21. Mecanismos De Asignación De Canales En Redes IEEE 802.11 Podemos tener tres enfoques en los que se puede basar el modelo del espectro radioeléctrico en la mayor parte de las tecnologías inalámbricas, estos son: • • •. Propietario: Cada proveedor de servicios posee un determinado espectro para su uso exclusivo. Las redes de telefonía, entre otras, habitualmente se basan en ello. No propietario: El espectro utilizado es el que encontramos en las bandas de frecuencias libres, por ello conviven excesivas tecnologías y redes. Hibrido: Es una mezcla de los anteriores, esto es, unos dispositivos utilizan el espectro de forma propietaria y otros de forma no propietaria, como por ejemplo, RCN (Radio Cognitive Network).. El espectro radioeléctrico está muy sobrecargado especialmente en la banda de frecuencias libres (enfoque no propietario), como por ejemplo, la de 2.4 GHz, mientras que está totalmente desaprovechado en altas y bajas frecuencias, esto es debido a que actualmente, la fabricación de dispositivos que funcionen a altas o bajas frecuencias es muy costoso. Por tanto, nos vamos a centrar en la banda de frecuencias de 2.4 GHz, que es la banda en la que conviven la mayor parte de tecnologías que operan en bandas libres, destacando entre ellas las redes IEEE 802.11, también conocidas como redes Wi-Fi, pero sin olvidarnos de que también hay interferencias con los dispositivos bluetooth, comunicaciones móviles, microondas, GPS, alarmas, mandos a distancia... Las bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical) son bandas de frecuencias sin licencia que se pueden usar libremente con un ligero control sobre ellas, por lo que cuando se va a construir una WLAN, podemos esperar que ya haya dispositivos utilizando el canal que se seleccione. Aunque hay varias técnicas de espectro expandido que respeten los límites de transmisión de baja potencia y que minimicen el efecto de las interferencias, la coexistencia de varios dispositivos en canales cercanos puede degradar en exceso el rendimiento de la red. Las bandas sin licencia o bandas de frecuencias libres que se utilizan actualmente para la tecnología Wi-Fi son la banda de 2.4 GHz (banda ISM) y la banda de 5 GHz (banda UNII). •. •. Banda de 2.4 GHz: Esta banda tiene un mayor número de interferencias, hay tres canales no superpuestos, pero tiene un mayor alcance. Los estándares que se utilizan actualmente son 802.11b, 802.11g, 802.11n y 802.11ac. Banda de 5 GHZ: Esta banda tiene un menor número de interferencias, hay veintitrés canales no superpuestos, pero por contra tiene un menor alcance. Los estándares que se utilizan actualmente son 802.11a, 802.11n y 802.11ac.. De entre todos los estándares de las redes inalámbricas, WLAN ha sido el más importante, este es, IEEE 802.11, que tiene varias revisiones, todas ellas emplean CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), que es un protocolo basado en el múltiple acceso por detección de portadora evitando colisiones y todos tienen versión con estaciones base o ad hoc. Estas revisiones son las siguientes: Estándar IEEE 802.11a IEEE 802.11b IEEE 802.11g IEEE 802.11n IEEE 802.11ac IEEE 802.11ax. Wi-Fi Alliance Wi-Fi 2 Wi-Fi 1 Wi-Fi 3 Wi-Fi 4 Wi-Fi 5 Wi-Fi 6. Año 1999 1999 2003 2004 2013 2019*. Banda de frecuencias 5 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz y 5 GHz 2.4 GHz y 5 GHz 2.4 GHz y 5 GHz. Velocidad máxima teórica 54 Mbps 11 Mbps 54 Mbps 600 Mbps 1.7 Gbps 10 Gbps. Tabla 1: Estándares Wi-Fi. *La aprobación del estándar se estima para el año 2019.. David Crespo Sen. 21. 2019.

(22) 22. Mecanismos De Asignación De Canales En Redes IEEE 802.11. Asignación de canales Nos vamos a centrar en la banda de 2.4 GHz ya que es la banda que más problemas ocasiona debido al menor número de canales disponibles y, por tanto, donde será de mayor interés solventar el problema de la asignación de canales para conseguir mayor eficiencia y utilidad de las redes Wi-Fi. Un factor importante a tener en cuenta es que no existe un método de asignación de canales estándar para APs WLAN, y por ello, en la gran mayoría de los APs se utiliza la asignación de canales predeterminada, lo que lleva a un uso altamente ineficiente del espectro de las bandas ISM, ya que este está saturado. Esta situación es más crítica en la banda de 2.4 GHz, ya que conviven múltiples tecnologías inalámbricas y solamente hay tres canales no superpuestos disponibles en la banda mencionada. La banda de 2.4 GHz está definida por 13 canales (según los organismos reguladores europeos), cuyas portadoras van de 2.412 GHz del canal 1 a 2.472 GHz del canal 13 (el 14 es un canal prohibido que únicamente se utiliza en Japón). Otra cosa a tener en cuenta de la banda de 2.4 GHz es que únicamente podemos conseguir tres canales no superpuestos, ya que los canales consecutivos están separados por 5 MHz mientras que el ancho de banda de la portadora asignada al canal es de 22 MHz. Para considerar que dos canales no están superpuestos, las frecuencias centrales deben estar separadas por al menos 25 MHz. Ambas cosas podemos verlas en la siguiente figura:. Figura 5: Espectro de frecuencias banda 2,4 GHz. Como se puede observar en la gráfica anterior, hay un fuerte solapamiento entre los distintos canales. Este solapamiento se puede resumir en la siguiente tabla: Canal 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14. Frecuencia inferior 2.401 GHz 2.406 GHz 2.411 GHz 2.416 GHz 2.421 GHz 2.426 GHz 2.431 GHz 2.436 GHz 2.441 GHz 2.446 GHz 2.451 GHz 2.456 GHz 2.461 GHz 2.473 GHz. Frecuencia central 2.412 GHz 2.417 GHz 2.422 GHz 2.427 GHz 2.432 GHz 2.437 GHz 2.442 GHz 2.447 GHz 2.452 GHz 2.457 GHz 2.462 GHz 2.467 GHz 2.472 GHz 2.484 GHz. Frecuencia superior 2.423 GHz 2.428 GHz 2.433 GHz 2.438 GHz 2.443 GHz 2.448 GHz 2.453 GHz 2.458 GHz 2.463 GHz 2.468 GHz 2.473 GHz 2.478 GHz 2.483 GHz 2.495 GHz. Canales solapados. Canales no solapados. 2, 3, 4, 5 1, 3, 4, 5, 6 1, 2, 4, 5, 6, 7 1, 2, 3, 5, 6, 7, 8 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9, 10 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11 4, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12 5, 6, 7, 8, 10, 11, 12, 13 6, 7, 8, 9, 11, 12, 13, 14 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14 8, 9, 10, 11, 13, 14 9, 10, 11, 12, 14 11, 12, 13. 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 9, 10, 11, 12, 13, 14 10, 11, 12, 13, 14 1, 11, 12, 13, 14 1, 2, 12, 13, 14 1, 2, 3, 13, 14 1, 2, 3, 4, 14 1, 2, 3, 4, 5 1, 2, 3, 4, 5, 6 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10. Tabla 2: Canales en espectro de 2,4 GHz. Como hemos visto, en esta banda solamente tenemos tres canales no superpuestos, como por ejemplo, los canales 1, 6 y 11. Usamos dichos canales porque si usamos dos canales superpuestos en el mismo espacio físico, se causarían demasiadas interferencias entre los sistemas. Por lo que los sistemas WLAN que utilizan un canal superpuesto no deben colocarse conjuntamente, ya que siempre habrá una reducción drástica o completa en el rendimiento de la red.. David Crespo Sen. 22. 2019.

(23) 23. Mecanismos De Asignación De Canales En Redes IEEE 802.11. Dentro de los esquemas de asignación de canales basados en MAC (Media Access Control) podemos clasificar en dos métodos las redes WLAN en función de cómo se gestionan. Estos son: •. Centralizado: Un controlador central recopila información del tráfico de cada canal y de los APs para asignar un canal a cada uno de ellos. Este método puede generar un rendimiento óptimo ya que para la asignación de canales tiene en cuenta el tráfico de la red y el uso de los canales, pero por contra, si un controlador tiene que administrar un gran número de APs se requerirá un mayor tiempo para encontrar una asignación óptima.. •. Distribuido: El AP es el encargado de recopilar la información del tráfico del canal y de los distintos APs vecinos para finalmente determinar cuál es el mejor canal que utilizar de forma autónoma. Esto hace que el tiempo para encontrar una asignación óptima no sea excesivo incluso si hay un gran número de APs desplegados o aumenta el número de APs en la red.. Las redes administradas centralmente son generalmente la de campus universitarios, oficinas, ... mientras que las redes no coordinadas son típicas de barrios residenciales, restaurantes, ... La implementación exitosa de este tipo de redes requiere mecanismos para solventar los problemas de rendimiento, estos mecanismos pueden ser el balanceo de carga (utilizado generalmente en la implementación de redes centralizadas), el control de potencia y la detección de portadora (utilizado en redes no coordinadas), o la asignación de canales (utilizada tanto para redes centralizadas como para no coordinadas) donde se asigna un canal de frecuencia a cada AP para su uso durante un cierto tiempo. En este último tipo de mecanismos es en el que nos vamos a centrar en este trabajo. El principal problema de estas redes son las interferencias causadas en la red Wi-Fi. Los principales tipos de estas interferencias son: •. Interferencia cocanal: Este tipo de interferencias son las causadas cuando varias señales deseadas se transmiten por el mismo canal. Si múltiples APs operan en el mismo canal el rendimiento de la red se ve reducido debido a estas interferencias.. •. Interferencia de canal adyacente: Este tipo de interferencias son las causadas cuando se transmite por canales que se encuentran solapados. Si múltiples APs vecinos operan en canales adyacentes el rendimiento de la red se ve reducido debido sus interferencias.. Según [12], dentro de las redes WLAN IEEE 802.11 podemos distinguir dos estrategias importantes: •. Asignación de canales: Se define como una estrategia en la que a cada AP se le asigna un canal de tal manera que se minimiza la interferencia generada como resultado de dicha asignación, por lo que se maximiza el rendimiento de la red. Todas las estrategias de asignación de canales tienen por objetivo disminuir las interferencias, esto es, la optimización, aunque cada esquema modela de forma diferente la interferencia.. •. Ubicación de AP: Se define como una estrategia en la que los APs se asignan e instalan en sitios determinados para proporcionar la mayor cobertura posible a sus clientes bajo unos requisitos de calidad de servicio (QoS). Esta estrategia se utiliza en la fase inicial de la planificación de la red combinándola con la asignación de canales para una red centralizada. En una red no coordinada, lo principal es la asignación de canales.. David Crespo Sen. 23. 2019.

(24) 24. Mecanismos De Asignación De Canales En Redes IEEE 802.11. Por tanto, dentro de la asignación de canales podemos diferenciar entre dos tipos: •. Asignación de canales con ubicación de AP: Fue pensado para redes administradas centralmente, ya que el administrador central tiene un control completo sobre la ubicación de todos los APs y su asignación de canal. El principal desafío es superar la irregularidad de la forma de las celdas y las diferentes demandas de tráfico, para ello, se recurre a la asignación de canales y la colocación de APs. Por tanto, un requisito importante es una estimación precisa del tráfico en el área en la que se instalarán los APs.. •. Asignación de canales sin ubicación de AP: En este enfoque no importa dónde estén ubicados los APs, ya que se centra únicamente en la asignación de canales. El principal problema que se pretende abordar es la interferencia inducida por la contención MAC entre los APs, aunque actualmente se tienen también en cuenta las interferencias inducidas por la contención MAC entre los APs y los clientes.. Para las redes administradas centralmente, podemos distinguir distintos enfoques tanto para la asignación de canales con ubicación como sin ubicación de AP, algunos de estos son: · Asignación de canales con ubicación de AP: •. Enfoque tradicional: En este enfoque el problema de la asociación de canales se resuelve tras ubicar los APs y tras varias pruebas se va modificando la ubicación de lo APs hasta conseguir un mejor rendimiento. El problema de asignación de canales se trata como un problema de coloreado del grafo donde cada AP representa un vértice y un canal no superpuesto un color. El objetivo es asignar los canales que no se superponen a los APs de forma que se minimice la superposición de la cobertura cocanal entre celdas adyacentes.. •. Enfoque de programación lineal de enteros (ILP): En este enfoque se resuelven los problemas de asignación de canales y ubicación de APs simultáneamente ya que no solo considera el radio de cobertura sino también el equilibrio de carga entre los APs, para ello, lo que se hace es distribuir los clientes de manera que se maximice el rendimiento de la red. El objetivo es minimizar la utilización del canal en cada AP mientras se satisface la demanda de tráfico asignando cada punto de demanda a un AP.. •. Enfoque de mapa de prioridad: En este enfoque el problema de asignación de canales se resuelve junto con el de la colocación de APs, para ello, un plano se divide en píxeles y cada uno se prioriza según sus requisitos de tráfico para crear un mapa de prioridad. Posteriormente se crea un conjunto de ubicaciones de APs para dar servicio acorde a la prioridad y a cada conjunto de APs se les asigna un canal no superpuesto en función de su prioridad. Si se agotan los canales no superpuestos, se siguen otros algoritmos de asignación de canal para los APs restantes.. •. Algoritmo de parcheo: En este algoritmo el problema de asignación de canales y de ubicación de APs se resuelve conjuntamente considerando únicamente el tráfico ascendente. Se calcula el rendimiento de cada cliente para los clientes de una celda sin tener en cuenta las interferencias con los del resto de celdas, para ello se realiza una estimación del rendimiento ya teniendo en cuenta los clientes de oreas celdas adyacentes. El objetivo es maximizar el rendimiento y la equidad entre los clientes.. •. Enfoque orientado a la cobertura: En este enfoque el problema de la asignación de canales y la ubicación de AP se optimizan de forma secuencial y conjunta. Se utiliza el modelo de programación lineal de enteros calculando el rendimiento neto teniendo en cuenta la potencia recibida. Tras esto, se realiza una optimización conjunta, para ello se coloca el AP seguido de su asignación de canal combinándolo linealmente. El objetivo del problema de ubicación AP es la maximización del rendimiento total en el área de servicio mientras se satisface el número especificado de AP.. David Crespo Sen. 24. 2019.

(25) 25. Mecanismos De Asignación De Canales En Redes IEEE 802.11. · Asignación de canales sin ubicación de AP: •. DSATUR: Es un enfoque basado en la coloración de vértices, los vértices de un grafo son los APs y los bordes representan las interferencias entre puntos de acceso adyacentes, también es necesario un conjunto de colores que representan a los canales no superpuestos. El grado de saturación es el número de vértices de diferente color a los que el vértice es adyacente, estos colores son colores no admisibles para el vértice en cuestión. El objetivo del problema es el coloreado de los vértices de tal manera que se utilicen el menor número de colores posibles y que los nodos conectados que no interfieran tengan el mismo color.. •. CFAssign-RaC: Este algoritmo busca resolver el problema de la asociación de canales junto con el del equilibrio de carga a través de una definición y clasificación de las interferencias empleando un conjunto de colores sin conflicto. Se asignan canales a los APs para que los clientes se distribuyan de tal manera que se minimice el conflicto. Para ello se tienen en cuenta como el rango y los conjuntos de interferencia reflejan las condiciones reales del canal. El objetivo del problema es maximizar el número de clientes con conflicto cero.. •. Local-Coord basada en mediciones: En este algoritmo se trata el problema de la asociación de canales como la búsqueda de la menor interferencia, que se consigue con una función de costo, que es la interferencia ponderada entre las capturadas por los clientes como por los APs en la red. El cliente mide la potencia de interferencia en cada canal y la promedian para informar a sus respectivos APs que también la medirán. Un mayor volumen de tráfico crea mayor interferencia y una potencia alta indica que la interferencia es menor. Una variante de este algoritmo es Global-Coord.. David Crespo Sen. 25. 2019.

(26) 26. Mecanismos De Asignación De Canales En Redes IEEE 802.11. Un pequeño esquema donde se pueden ver algunas de las características de estos enfoques en redes centralizadas con y sin ubicación de AP puede ser el siguiente:. Figura 6: Características técnicas en redes centralizadas. David Crespo Sen. 26. 2019.

(27) 27. Mecanismos De Asignación De Canales En Redes IEEE 802.11. Para las redes no coordinadas, podemos distinguir distintos enfoques únicamente para la asignación de canales sin ubicación de AP, algunos de estos son: •. Búsqueda de canales menos congestionados (LCCS): Este algoritmo trata el problema de la asignación de canales como a búsqueda del menos congestionado, pero hay varias formas de interpretar el canal menos congestionado, una de ellas puede ser con el menor tráfico, otra con el menor número de clientes operando en el canal, ... El AP escanea y busca periódicamente el canal menos congestionado.. •. Enfoque MinMax: En este enfoque el problema de la asociación de canales se trata desde el punto de vista de AP suponiendo en que si tienen demasiada carga pueden degradar el rendimiento de la red considerando únicamente el tráfico descendente. Para ello va buscando las interferencias y la utilización efectiva del canal por parte de cada AP. Se comienza con una asignación de canales aleatoria y un algoritmo heurístico para reajustar la utilización efectiva de cada canal. El objetivo es minimizar la máxima utilización efectiva de los canales por parte de los APs con mayor carga.. •. Enfoque MinMax II: Este enfoque es similar al anterior, solo que en este caso es dinámico, es decir, la estimación de los clientes activos se hace en tiempo real para cada periodo de asignación de canales. Otra diferencia importante es que en lugar de minimizar la utilidad efectiva lo que hace es minimizar la utilidad máxima del canal más sobrecargado teniendo en cuenta la carga y las interferencias cocanal.. •. Hminmax / Hsum - Enfoque de coloración ponderada: En este enfoque el problema de asociación de canales se trata como un problema de coloración del vértices de suma mínima ponderada con diferentes ponderaciones en los bordes de interferencia. Esta interferencia se captura con el factor de interferencia y la función de peso. El objetivo es minimizar la interferencia máxima desde el punto de vista de los clientes. Hsum solo es adecuado para redes supervisadas por el mismo administrador, mientras que Hminmax es más adecuado para las redes administradas por diferentes administradores.. •. Enfoque Pick-Rand y Pick-First: Este enfoque trata el problema como la ponderación de interferencia, que depende de la interferencia de canal adyacente, la potencia de transmisión y la pérdida de trayectoria entre APs. El objetivo es asignar canales superpuestos minimizando la interferencia ponderada total desde el punto de vista del AP. Pick-Rand elige el canal aleatoriamente, mientras que Pick-First elige el primer canal de la lista ordenada ascendentemente.. •. Enfoque Pick-Rand y Pick-First II: Este enfoque es similar al anterior, pero en este se incorpora el equilibrio de carga, para ello incorpora un indicador de congestión que se define como la proporción de tasas de datos agregadas al ancho de banda disponible del AP. El objetivo es minimizar la congestión máxima del AP más congestionado y tras solventar el problema se recurre a la asignación de canales.. •. Enfoque de salto de canal: En este enfoque propone un algoritmo de asignación de canal distribuido en el que a cada AP se le asigna una secuencia de canales por la que se va pasando de uno a otro en el tiempo con el objetivo de promediar los rendimientos de los APs a largo plazo. Para el correcto funcionamiento, todos los APs deben estar sincronizados para que realicen el salto del canal en el mismo instante de tiempo.. •. No-Coord basada en mediciones: Este algoritmo es similar al algoritmo Local-Coord pero en este se evita la coordinación de APs y solo se produce un cambio de canal si la interferencia ponderada en base al nuevo canal es mas baja que la anterior.. David Crespo Sen. 27. 2019.

(28) 28. Mecanismos De Asignación De Canales En Redes IEEE 802.11. Un pequeño esquema donde se pueden ver algunas de las características de estos enfoques en redes no coordinadas sin ubicación puede ser el siguiente:. Figura 7: Características técnicas en redes no coordinadas. David Crespo Sen. 28. 2019.

(29) 29. Mecanismos De Asignación De Canales En Redes IEEE 802.11. En los esquemas de clasificación que se han propuesto para las distintos enfoques y algoritmos se han considerado importantes los siguientes aspectos de clasificación: • • • • • • •. La frecuencia con la que se realiza la asignación de canales. El tipo de implementación a la que es aplicable la asignación de canales. El tipo de canales utilizados. Como se obtienen soluciones de asignación de canales. Desde que punto de vista se trata a la interferencia. Saber si es o no necesaria la comunicación inter-AP para la asignación de canales. La escalabilidad del sistema (si existe solución para redes relativamente grandes).. Como podemos comprobar, los esquemas estáticos solo se ejecutan una vez, por lo que su complejidad no es muy importante, aunque es clave para que la mayoría de los esquemas recurran a técnicas heurísticas. Estos esquemas se basan en las redes centralizadas mientras que los adaptativos pueden ser en redes centralizadas o no coordinadas. Al principio, en las redes se utilizaban únicamente los canales no solapados en este tipo de optimizaciones y únicamente se tenían en cuenta las interferencias desde el punto de vista de los APs, pero actualmente se intentan utilizar todos los canales y tener en cuenta también las interferencias desde el punto de vista de los clientes. Por último, también podemos ver como los esquemas de asignación de canales en entornos no coordinados son escalables debido a su ejecución distributiva, mientras que en los entornos centralizados no son escalables debido a su control centralizado privilegiado.. David Crespo Sen. 29. 2019.

(30) 30. Mecanismos De Asignación De Canales En Redes IEEE 802.11. Algoritmos de asignación de canales empleados Dentro de los algoritmos de asignación de canales que es el fin de este trabajo podemos diferenciar varias técnicas, algunas serán propuestas interesantes como KCKC, AIIM o HZNA, que serán las que se implementarán, pero hay también otras técnicas como Random, LCCS y SA que hay que implementar para comprobar si las propuestas mencionadas mejoran o no las prestaciones de las técnicas implementadas actualmente o de forma aleatoria, que no conlleva ningún coste.. Random El algoritmo de asignación de canales aleatorio (random), es el menos costoso, ya que asigna a cada AP un canal de forma aleatoria (el AP es el que escoge un canal entre los disponibles), y por tanto, no tiene en cuenta ningún factor para hacerlo de forma eficiente. Aunque este algoritmo tan rudimentario no sea realmente útil para solventar el problema de la asignación de canales, ni se espere que tenga unas prestaciones elevadas, si lo va a ser para hacer comparaciones con los algoritmos de asignación de canales propuestos que implementaremos y que si que tienen en cuenta algún factor. Un algoritmo será más eficiente que random si se obtienen mejores valores de utilidad, si no es así, el algoritmo implementado no tendría sentido, ya que no solucionaría el problema que tratamos.. LCCS (Least Congested Channel Scan) El algoritmo de asignación de canales LCCS es una técnica que ya tiene en cuenta algún factor para su implementación. Esta técnica heurística es de las más empleadas en la actualidad y se basa en que cada punto de acceso escoge el canal Wi-Fi menos congestionado, esto es, en el que se encuentre una menor interferencia. Esta técnica resulta de interés para comparar otras propuestas de la literatura con la técnica más extendida e implementada de la actualidad. Esta técnica es mejor que random, pero aún es mejorable, ya que con otras técnicas implementadas se consiguen mejores resultados. Este algoritmo también nos servirá como comparación para saber cuáles de los algoritmos propuestos tienen una mayor eficiencia que lo que se utiliza actualmente, esto es, con qué técnicas se consiguen mayores utilidades que con LCCS y random. Esta técnica LCCS fue propuesta por Achanta M. [13] y está basada en que cada puto de acceso realice la búsqueda del canal con menos carga, esto es, aquel canal que tenga un menor número de clientes asociados. Una vez encontrado, conmuta a dicho canal hasta que en un próximo escaneo se encuentre un canal menos congestionado. Para conseguir esto, cada punto de acceso analiza cada canal en busca de tramas lanzadas por AP vecinos (cada trama contiene información acerca del número de clientes asociados a cada AP), conociendo así los clientes asociados a cada uno de sus vecinos. De esta manera, después de escanear todos los canales, el punto de acceso es capaz de conocer cuántos clientes están asociados a cada canal y, por tanto, capaz de elegir aquel canal con menor congestión o carga. Un dato importante que destacar del algoritmo LCCS es que presupone que todos los clientes generan la misma cantidad de tráfico, en consecuencia, a mayor número de clientes conectados, mayor cantidad de tráfico.. David Crespo Sen. 30. 2019.